5G技術在物流核心設備中的應用

文 / 邢靈冰

現代工業的迅速發展和日益激烈的市場競爭，對立體倉庫技術提出了更高的要求。而巷道堆垛機、AGV等是整個自動化立體倉庫系統的核心單機，其穩定性直接決定了立體倉庫的運行效率。這些傳統設備的通訊均采用WIFI技術。 由于WIFI技術本身的缺陷，存在易受干擾、易掉線等一系列問題，尤其是高架庫中密集貨品對WIFI信號的阻擋，也無法使設備穩定運行。而且隨著物流技術應用的多樣化和智慧化，比如需要加入視覺、信息讀取等功能，對通訊帶寬和通訊質量的要求就更高了。因此，一種全新的高穩定性、抗干擾能力強、應用范圍廣的通訊需求就顯得尤為迫切。

一、5G網絡的優勢

5G 通信應運而生，低時延、大帶寬、大容量， 以及無線蜂窩網絡特有的高可靠、高安全、廣覆蓋能力等技術優勢，將工廠車間、物流園區的人- 機-料、點- 線- 場進行數字化、無線化改造。以便利用大數據、IoT、AR、AI 等新興技術，在信息化、自動化基礎上，打造數字化、智能化方案。提高物流系統分析決策和執行效率，整合物流資源，融入工藝與流程，確保生產節拍。同時，5G 無線通信方式實現工廠網絡扁平化，進一步賦能柔性制造。5G 蜂窩網絡與傳統WIFI的對比如表1。

二、5G技術應用場景

結合物流業務對通信要求的特征，將5G技術應用場景總結為四大類：

第一類：行業 eMBB。基于5G 大帶寬的通信能力。

第二類：行業上行視頻。基于視頻與圖像作業。

第三類：無線工業控制。基于5G 低時延的實時控制。

第四類：5G 感知技術。基于5G 通信技術的感知和定位能力。

三、5G在核心物流設備的應用

1.AGV集群調度

AGV 是物流行業目前最具自動化、智能化設備，也是發展最迅猛的技術，可見的方向是自主移動機器人AMR。電商分揀平臺上，幾百臺AGV 同時運行，如圖1。AGV 實時控制傳輸的數據量不大，但數據傳輸的頻率很高，時延要求苛刻。

2.AGV 協同控制

工業制造和搬運對象大小不一，重的物件達到幾百噸，不可能為每種規格的物件設計一款AGV。多AGV協同搬運一個超大超重物件就很有必要，既減少AGV定制成本，又可以靈活組合復用，節約投資。超大設備組裝時，比如飛機機翼，也需要多個AGV同步托舉，物件的停放位置精度也受同步啟停的影響。超大設備運動轉彎時，編隊成組的不同AGV需要執行不同的運動參數。

在多AGV協同搬運物件超重情況下，考慮到安全和慣性，需要多個AGV同步啟停，否則會出現單一AGV獨立超過負重，也就是對通信時延產生的命令到達時間差很苛刻。通信時延要控制在5～10微秒，以便留給機電伺服系統更充裕的時間。各AGV之間時鐘同步也要求在1 微秒。

表1 5G 蜂窩網絡與傳統WIFI對比

3.AGV的云化控制

5G的上行大帶寬、低延時使得AGV的云化視覺導航成為可能。將AGV本地攝像頭數據上傳，在云上進行計算處理，可以消除在每個AGV本地部署激光雷達、工控機GPU、購買算法license的大量硬件、軟件成本。

視覺導航一般要求至少每100ms 周期必須刷新上傳一次視覺幀以及下發位置信息，以防碰撞。上傳和下發的時延要控制在20ms 以內。以便給云端的圖像處理和位置計算留出寬裕的時間。

4.堆垛機 C2C控制

堆垛機是自動化立體倉庫的核心設備，通訊方式一般是采用有線通訊、紅外通訊、WIFI。

有線通訊方式對電纜和布線要求極高，而且故障率高，應用極不方便。

紅外通訊必須直線對準安裝，在環境惡劣如粉塵多、照度差等條件下，數據傳送的距離和可靠性較差，易出現數據傳輸中斷等情況。

WIFI由于技術本身的缺陷，存在干擾、容量、掉線等一系列問題，尤其是高架庫中密集貨品對WIFI信號的阻擋，也無法使堆垛機穩定運行。運行中電氣設備的數據采集和設備維護所需的大數據通信低帶寬的通信能力更無法承載。5G 無線通信將徹底消除以上問題。

堆垛機加入機器視覺，主要用工業相機。在出入庫環節，對包裝箱進行外觀破損檢測；在高架庫放貨環節，對貨箱擺放姿態進行檢測；在盤點、抽檢環節，可以通過云視頻實現在線實時盤點，安全高效。

視覺需要大數據上傳，如果采用5G網絡，2 秒內可以將非壓縮照片上傳到邊緣服務器，加上圖片處理時間， 可以滿足3～4 秒完成一個貨品外觀檢測的節奏。目前主要的視覺堆垛機廠家已經啟動內置5G 通信模組的技術更新。

圖1 電商分揀正在運行的AGV

圖2 已商用的5G模組和終端

表2 物流場景設備通信的典型特性

表3 物流設備5G改造推薦使用的5G 終端

圖3 硬件架構實施圖

四、5G網絡的建網要求

與MBB 業務不同，物流場景的設備通信有以下幾個典型特性（如表2）：

1.超深度覆蓋：高架庫場景，巷道狹窄，貨物密集，對信號穿透強度的要求高；

2.長距離無切換：物流設備在大型車間運行，需要 300米內無切換；

3.切換帶設計復雜：不同的車間格局和流程工藝要求下的切換帶設計差異很大；

4.并發量超大：極端情況下，一個萬平方米車間的物流設備，大概近萬次 /秒的并發通信。

五、5G終端選型建議

據GSA 報告，到2019 年10月，全球已發布的5G 終端有172 款，38 款終端已經商用。到2019 年11月，總計15款CPE進行發布或者商用。華為自2003年就開始大力投入通訊模組研發，至今已經有近二十年豐富經驗，使能各行各業無線網絡高速連接。2019 年10 月，華為發布MH5000 5G 工業模組，售價999元。2020 年，CPE 的售價也會降到300 美金以下。截止到2019 年12 月，典型幾類已商用的5G模組和終端，如圖2。

基于當前終端形態和物流場景，物流設備進行5G 改造推薦使用的5G 終端如表3。

六、具體硬件架構實施圖

5G應用場景中堆垛機、AGV等物流核心設備的邏輯控制器大多采用基于PC端的倍福PLC，5G終端選擇華為CPE行業終端，雙方為兩個PLC標準設備提供了Ether CAT自動化協議，可實現第二層級的以太網通信，主從設備之間通過5G基站進行數據交換，對于特殊應用場景，引入移動邊緣計算技術（MEC），如圖3。

七、結語

5G 技術賦能工業互聯網，推動信息化與工業化深入融合，為產業提供新動力。5G 技術為傳統物流產業的核心設備發展插上騰飛的翅膀，整合人工智能成果和大數據智慧，提高制造物流、倉儲物流、場外物流移動信息化程度和運營管理效率、生產節拍。